Basiskennis chemie/Classificatie van stoffen/Periodiek Systeem Elementen

Basiskennis chemie

Chemie Stoffen Atomen Periodiek Systeem Classificatie Bindingen Zouten Moleculaire stoffen Metalen Organische Chemie Aanhangsel Index Aggregatietoestanden Uitgebreid Atoommodel De atoomkern

Atomen rangschikken

Reacties van stoffen

Rond 1800 was de kennis van elementen zover gevorderd dat een aantal zaken begon op te vallen. Een van die zaken was dat elementen steeds in een vaste massaverhouding met elkaar reageren.

IJzer en zwavel reageren met elkaar tot ijzersulfide. Dit gebeurt altijd in een verhouding van 7:4, of in formulevorm:

${\frac {Massa_{IJzer}}{Massa_{Zwavel}}}={\frac {7}{4}}$

Dit wil dus zeggen dat 4 gram zwavel met 7 gram ijzer zal reageren tot 11 gram ijzersulfide. Of 3.5 gram ijzer met 2 gram zwavel.

Als je probeert 5 gram zwavel met 7 gram ijzer te laten reageren, treedt er wel een reactie op, je krijgt 11 gram ijzersulfide maar je houdt ook 1 gram zwavel over.

Ook voor andere verbindingen werd een vaste massaverhouding tussen de elementen gevonden. Rond 1800 was de conclusie:

Een element reageert altijd alsof het bestaat uit deeltjes met een vaste massa.

Voor ijzer en zwavel geldt blijkbaar dat de massaverhouding tussen deeltjes ijzer en deeltjes zwavel 7:4 is. Voor calcium en zuurstof bleek de verhouding 5:2, voor chloor en waterstof 70:2, voor kwik en zuurstof 25:2. Door van veel verbindingen de massaverhouding te bepalen kon een lijst opgesteld worden van relatieve atoommassa's. Data wil zeggen: er was bijvoorbeeld wel bekend dat een atoom waterstof het lichtste atoom was, koolstof was twaalf keer zo zwaar als waterstof, zuursrof 16 keer en chloor 35.5 keer zo zwaar als waterstof.

Dat er atomen moesten bestaan was in 1800 met deze resultaten overtuigend aangetoond. Het bepalen van de massa van één atoom was toen nog niet mogelijk. Ook nu nog kunnen we één atoom niet wegen. Atomen zijn gewoon te klein. Om hier toch mee te kunnen werken is in eerste instantie besloten dat als de massa van atomen nodig was, deze vermeld wordt voor het aantal atomen dat voorkomt in 1 gram waterstof. Zonder te weten hoeveel atomen dit waren, werd dit aantal atomen 1 mol genoemd.

Later is om praktische redenen, waterstof is als gas lastig te wegen en bovendien brandbaar, besloten dat de mol iets anders gedefinieerd wordt:

1 mol is het aantal deeltjes dat voorkomt in 12 gram koolstof.

Een mol is daarmee ocmpleet vergelijkbaar met een dozijn (12 stuks) of een gros (144 stuks).

Orde in de chaos

Julius Lothar Meyer

Atoomvolume als functie van de molaire massa van elementen

Medeleeff

Mendelev's voorspelling in 1869 van germanium (detail) en daarboven, onder de rode lijn, die van gallium, "?=70" (periodic table 1869)

Was het idee van atomen en elementen rond 1800 in de wetenschap geaccepteerd, hoeveel elementen er waren was toen nog lang niet duidelijk. In de eerste helft van de 19e eeuw was de jacht op elementen open. In een hoog tempo werden steeds weer nieuwe elementen gevonden. Sommige leken op elkaar, zoals chloor, broom en jood, of de groep lithium, natrium, kalium. Ook koper, zilver en goud werden als groep herkend. Een algemeen overzicht ontbrak nog omdat niet duidelijk was hoeveel elementen er nu precies waren: de in Kern en elektronen genoemde lading van de kern, en het feit dat elk element zijn eigen kernlading heeft, werden pas aan het eind van de 19e eeuw bekend.

Los van elkaar bouwden Dmitri Mendelejev en Julius Lothar Meyer aan een totaaloverzicht van de elementen. Meyer bepaalde voor alle bekende elementen het volume van 1 mol van de stof. Als hij de resultaten uitzette tegen de molaire massa van het element, kreeg hij de grafiek zoals die hiernaast staat weergegeven. Omdat 1 mol stof steeds evenveel atomen bevat, zijn de relatieve verschillen en verhoudingen voor 1 mol of 1 atoom precies gelijk.

Mendelejev keek niet naar slechts één eigenschap maar naar zoveel mogelijk eigenschappen van de elementen die hij kende. Ook hij zette de elementen op volgorde van massa. Hij ging echter een stap verder.

Na zink ontbraken er, wat eigenschappen betreft twee elementen. Volgens Mendelejev waren die twee gewoon nog niet ontdekt!. Op grond van de eigenschappen van silicium en tin durfde hij de eigenschappen van het ontbrekende element, door hem eka-silicium genoemd en nu bekend als germanium, te voorspellen. Toen het element een aantal jaren later gevonden werd, bleken de eigenschappen, verbindingen en vindplaats opmerkelijk goed overeen te stemmen met de voorspellingen van Mendelejev.

Vergelijking tussen Mendelev's voorspelling in 1871 en de eigenschappen van gallium en germaninium

Eigenschap	Gallium		Germanium
	Voorspelling	Gemeten	Voorspelling	Gemeten
Atoomgewicht	~68	69.723	72.64	72.59
Dichtheid (g/cm3)	5.9	5.904	5.5	5.35
Smeltpunt (°C)	laag	29.767	hoog	947
Kleur			grijs	grijs
oxide type			Vuurvast dioxide	vurvast dioxide
Formule van het oxide	${\ce {M2O3}}$	${\ce {Ga2O3}}$	${\ce {MO2}}$	${\ce {GeO2}}$
Dichtheid van het oxide (g/cm3)	5.5	5.88	4.7	4.7
Type van het hydroxide	amfoteer	amfoteer
Type oxide			zwak basisch	zwak basisch
Formule van het chloride			${\ce {MCl4}}$	${\ce {GeCl4}}$
Kookpunt van het chloride (°C)			< 100	86 (${\ce {GeCl4}}$)
Dichtheid van het chloride (g/cm3)			1.9	1.9

Omdat Mendelejev nog niets wist over de kernlading of de elektronen had hij ook geen last van het feit dar de edelgassen nog niet bekend waren in zijn tijd. Ook op sommige plaatsen waar de molaire massa van een volgend element net iets lager uitvalt, was voor hem geen probleem omdat een van de twee elementen nog niet gevonden was.

Omdat kenmerkende eigenschappen zich periodiek in de lijst herhalen, wordt de tabel die door Mendelejev ontworpen werd aangeduid met de naam: Periodiek Systeem der Elementen, of kortweg periodiek systeem. Vandaag de dag kunnen we deze periodiciteit verklaren uit de opbouw van de elektronenwolk. Omdat de meer naar buiten gelegen schillen meer elektronen kunnen bevatten (zie de paragraaf over elektronenschillen

Het periodiek systeem

Het blijkt dat als de verschillende atoomsoorten worden gerangschikt in een tabel op volgorde van hun atoomnummer van linksboven naar rechtsonder met rijen van bepaalde lengte dan vormen de atoomsoorten in de kolommen families met gelijkaardige eigenschappen. De tabel heet het periodiek systeem der elementen (PSE).

De kolommen van het PSE heten groepen, genummerd van 1 tot en met 18, en de rijen, heten periodes, genummerd van 1 tot en met 7. De groepen 1,2,13,..,18 heten hoofdgroepen en de groepen 3,..,12 overgangsmetalen.

Periode 1 heeft twee groepen, H waterstof en He Helium. Periode 2 en 3 hebben elk 8 groepen. In periode 4 tot en met 7 worden 10 groepen toegevoegd. In periode 6 en 7 bestaat groep 3 uit 15 elementen respectievelijk de Lanthaniden en Actiniden genaamd. Het totaal van de elementen bedraagt: 2 + 8 + 8 + 18 + 18 + 32 + 32 = 118.

De naam van een groep is het eerste element uit de groep, bijvoorbeeld groep 11 heet de kopergroep.

Het periodiek systeem der elementen

1 Ia

18 0

1

1 H

2 IIa

13 IIIa

14 IVa

15 Va

16 VIa

17 VIIa

2 He

2

3 Li

4 Be

5 B

6 C

7 N

8 O

9 F

10 Ne

3

11 Na

12 Mg

3 IIIb

4 IVb

5 Vb

6 VIb

7 VIIb

8 VIIIb

9 VIIIb

10 VIIIb

11 Ib

12 IIb

13 Al

14 Si

15 P

16 S

17 Cl

18 Ar

4

19 K

20 Ca

21 Sc

22 Ti

23 V

24 Cr

25 Mn

26 Fe

27 Co

28 Ni

29 Cu

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

35 Br

36 Kr

5

37 Rb

38 Sr

39 Y

40 Zr

41 Nb

42 Mo

(43) Tc

44 Ru

45 Rh

46 Pd

47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

53 I

54 Xe

6

55 Cs

56 Ba

*

72 Hf

73 Ta

74 W

75 Re

76 Os

77 Ir

78 Pt

79 Au

80 Hg

81 Tl

82 Pb

83 Bi

84 Po

85 At

86 Rn

7

87 Fr

88 Ra

**

(104) Rf

(105) Db

(106) Sg

(107) Bh

(108) Hs

(109) Mt

(110) Ds

(111) Rg

(112) Cn

(113) Uut

(114) Fl

(115) Uup

(116) Lv

(117) Uus

(118) Uuo

*Lanthaniden

57 La

58 Ce

59 Pr

60 Nd

(61) Pm

62 Sm

63 Eu

64 Gd

65 Tb

66 Dy

67 Ho

68 Er

69 Tm

70 Yb

71 Lu

**Actiniden

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 U

(93) Np

(94) Pu

(95) Am

(96) Cm

(97) Bk

(98) Cf

(99) Es

(100) Fm

(101) Md

(102) No

(103) Lr

---

Het jaar waarin elementen ontdekt zijn. De elementen op een grijsachtige achtergrond zijn pas ontdekt na het opstellen van het periodiek systeem der elementen

1 Ia

18 0

1

1766 H

2 IIa

13 IIIa

14 IVa

15 Va

16 VIa

17 VIIa

1895 He

2

1817 Li

1798 Be

1808 B

oudh C

1772 N

1771 O

1886 F

1898 Ne

3

1807 Na

1808 Mg

3 IIIb

4 IVb

5 Vb

6 VIb

7 VIIb

8 VIIIb

9 VIIIb

10 VIIIb

11 Ib

12 IIb

1824 Al

1817 Si

1669 P

oudh S

1774 Cl

1894 Ar

4

1807 K

1808 Ca

1879 Sc

1791 Ti

1830 V

1797 Cr

1774 Mn

oudh Fe

1735 Co

1751 Ni

oudh Cu

1746 Zn

1875 Ga

1886 Ge

1250 As

1817 Se

1826 Br

1898 Kr

5

1861 Rb

1808 Sr

1828 Y

1789 Zr

1801 Nb

1782 Mo

1937 Tc

1844 Ru

1803 Rh

1803 Pd

oudh Ag

1817 Cd

1863 In

oudh Sn

1450 Sb

1782 Te

1811 I

1898 Xe

6

1860 Cs

1774 Ba

*

1922 Hf

1802 Ta

1783 W

1925 Re

1803 Os

1803 Ir

1740 Pt

oudh Au

oudh Hg

1861 Tl

oudh Pb

1752 Bi

1898 Po

1940 At

1900 Rn

7

1939 Fr

1898 Ra

**

1964 Rf

1967 Db

1974 Sg

1976 Bh

1984 Hs

1982 Mt

1994 Ds

19994 Rg

1996 Cn

2004 Nh

1998 Fl

2004 Mc

2000 Lv

2010 Uus

1999 Og

*Lanthaniden

1839 La

1803 Ce

1885 Pr

1885 Nd

1941 Pm

1853 Sm

1896 Eu

1886 Gd

1843 Tb

1886 Dy

1878 Ho

1843 Er

1879 Tm

1878 Yb

1907 Lu

**Actiniden

1899 Ac

1828 Th

1913 Pa

1789 U

1940 Np

1940 Pu

1944 Am

1944 Cm

1949 Bk

1950 Cf

1952 Es

1952 Fm

1955 Md

1958 No

1961 Lr

Periode waarin de elementen ontdekt zijn

Oudheid	<1650	1651-1700	1701-1750	1751-1800
1801-1868	1869-1900	1901-1950	1951-2000	>2000